需要收集的工作区资料类型及内容如表1所示, 其中水文地质、环境地质报告及附图的总体精度应达到1: 5万。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 资料类型及内容 Tab.1 Types and details of material 类型 内容 地质类 1: 20万~1: 5万基础地质、矿产地质、水文地质区域调查报告、附图及附表; 1: 5万~1: 1万供水水源地勘察、农田供水、水文地质条件详查、煤田地质调查报告、附图及附表 环境类 1: 25万~1: 5万环境地质调查、环境地球化学调查、地下水污染调查及地热地质调查报告、附图及附表; 国控、省控工矿企业, 国家工业污染源普查等潜在污染源信息; 土壤、地下水污染源分布信息 研究类 工作区基础地质理论、水文地球化学、环境地质相关论文及著作

表1 资料类型及内容 Tab.1 Types and details of material

按工作片区建立一级文件档案夹, 相关的成果报告、论文和专著建立二级文件档案夹。从基础地质到水工环地质, 按从小比例尺低精度到大比例尺高精度的顺序阅读调查成果, 将重要信息形成摘要报告并拍照保存, 需要记录的信息如表2所示。摘要报告应对表内资料信息的可利用性进行评述。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 资料信息摘要一览表 Tab.2 Abstract of material and information 序号 资料信息 1 成果完成单位、完成时间, 附图、附表数量及内容 2 地形地貌单元划分及界限, 冲洪积扇体规模、范围及演化 3 钻孔岩性结构及厚度 4 水质检测分析结果 5 潜在污染源类型、分布及对周边水土的影响, 地下水污染途径 6 地下水等水位线图、地下水埋深图及开采降落漏斗 7 不同年代地表水和地下水水质及水化学类型, 地下水水质异常区位置及范围 8 泉水/泉群位置及流量, 地表水系及灌溉渠系分布 9 地下水动态 10 地下水水源地位置、开采情况 11 机井、民井位置及密度 12 地下水补给及排泄情况

表2 资料信息摘要一览表 Tab.2 Abstract of material and information

2.2.1 地形地貌图

以三级地貌单元划分豫北冲洪积扇体, 分别为冲洪积扇裙区(简称扇顶区)、冲洪积斜地区(简称扇中区)和扇前/扇间洼地区(简称扇缘区)。收集工作区已有钻孔和剖面资料, 充分考虑第四系沉积物岩性结构及历史演变, 形成工作区地形地貌平面图(图2(上))和水文地质剖面图(图2(下))。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 豫北工作区地形地貌平面图(上)和A-A pos;水文地质剖面图(下)Fig.2 Distribution of topography (above) and A-A pos; profile of hydrogeology (under) in Northern Henan

2.2.2 潜在污染源分布图

建立工作区潜在污染源信息数据库, 字段包括名称、位置、规模、主要污染物和演变历史。将卫星影像图显示的潜在污染源、以往污染源、国控或省控工业污染源及土地利用信息绘制在图上, 以点(如加油站和养殖场)、线(如污水渠)、片(如工业聚集区)的形式, 形成潜在污染源分布图(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 潜在污染源分布Fig.3 Distribution of potential pollution sources

2.2.3 地下水流场图

将不同年代、不同季节的地下水流场信息及主要地下水水源地位置和开采量叠加, 形成地下水流场图(图4)。

图4

Fig.4

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	图4 地下水流场Fig.4 Field of groundwater flow

2.2.4 水化学类型演变图

以舒卡列夫分类^[9]为原则, 编制不同年代水化学类型图; 将不同年代水化学类型叠加, 形成水化学类型演变图(图5)。标识不同年代地下水水化学类型、重金属超标点、有机物检出点位置和组分等信息。

图5

Fig.5

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	图5 地下水水化学类型演变Fig.5 Evolution of groundwater hydrochemical type

2.3.1 水质影响因素分区

按冲洪积扇地貌单元岩性结构、化学物质组成、体系开放性和地下水流动形式对地下水水化学体系的影响程度, 将扇顶区、扇中区和扇缘区概化为简单区、一般区和复杂区。

按密度将潜在污染源分为污染源密集区和污染源一般区, 对地下水水化学体系的影响程度概化为复杂区和一般区。

地下水流场分为水力坡度变化较大区(如降落漏斗内、水源地开采区和煤矿疏干区)和水力坡度变化平缓区, 对地下水水化学体系的影响程度概化为复杂区和一般区。

水化学类型演变分为突变和相对稳定2种趋势, 分别概化为复杂区和一般区。突变是在同一区块、不同年代出现较大差异的水化学类型(如HCO₃-Ca型转变为HCO₃· Cl-Ca-Na型)或者同一区块、同一年代地下水水化学类型演变出现异常(如自然情况下应由HCO₃-Ca型演变为HCO₃· SO₄-Ca· Mg型, 实际却演变为HCO₃· Cl-Ca-Na型)。地下水水化学类型的突变, 说明人类活动对地下水水化学体系影响较大。

2.3.2 打分赋值

按“ 简单区1分, 一般区2分, 复杂区4分” 的原则打分赋值。地形地貌按简单、一般、复杂三分法赋值; 潜在污染源、地下水流场和水化学类型演变按一般、复杂二分法赋值。

2.3.3 权重分配与分区叠加

地形地貌、潜在污染源和地下水流场是地下水水化学形成的原因, 而水化学类型是地下水水化学形成演化的结果, 权重应有所不同, 各影响因素的权重分配为: 地形地貌0.2, 潜在污染源0.2, 地下水流场0.2, 水化学类型0.4。由地形地貌、潜在污染源、地下水流场和水化学类型4张图叠加后得分应为1.8~4.0。基于简单和可操作原则, 叠加后仍以一般、复杂二分法分区, 以2.8为界限(地形地貌、潜在污染源和地下水流场同时出现在一个区域或者水化学类型复杂区至少叠加一个地形地貌、潜在污染源或地下水流场复杂区), 累计得分< 2.8的区域为一般区, 累计得分> 2.8的区域为复杂区。

1: 5万区域含水层水质调查的取样点密度为30个点/100 km², 调查点密度是取样点密度的2~4倍。为了便于计算和操作, 调查点平均密度为1个点/km²。经试算, 水质一般区和水质复杂区水质调查点密度分别为0.25~0.75个点/km²和1.5~2.0个点/km²。

开展野外调查工作前, 综合分析相关资料, 对工作区地下水水质复杂性初步分区, 并以此作为宏观把控野外调查工作量的依据(图6)。

图6

Fig.6

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	图6 变密度调查工作量宏观控制图Fig.6 Macroscopic workload control map of variable density field survey

出野外前, 应备好1: 2.5万野外调查工作手图、1: 5万地形地貌图、1: 5万潜在污染源分布图、1: 5万地下水流场图、1: 5万水化学类型演化图、1: 5万野外调查工作量宏观控制图、便携式仪器、调查表格、记录本、电子定位及信息采集设备、水位仪、取样设备和市、县国土或环保部门的介绍信。

以村为基本访问单元, 获取豫北山前地区饮水井、农灌井、生活用水井的深度、数量、分布和开采制度等信息, 村及周边潜在污染源类型、数量、分布和年限等资料, 以及地下水水质变化情况。将上述信息标识在1: 2.5万工作手图上, 并存储在电子定位及信息采集设备内, 将访问信息和村委会人员联系方式记录在调查表格和野外记录本上, 如条件允许, 还可请村委会人员做向导, 快速确定水井、潜在污染源的具体位置。

对照野外调查工作量宏观控制图, 结合实际观察及访问情况, 现场判断调查区块是否需要调整调查密度。如在宏观控制图上, 调查区块属于水质一般区, 但经观察及访问后发现该区块水井多、潜在污染源密度高, 则应将调查区块调整为水质复杂区。

3.4.1 调查点分配

在调查区块内布设调查点, 要兼顾地下水点(如水井、泉)与非地下水点(如污染源点、地表水点、包气带岩性结构露头点等)以及不同深度水井之间的比例。一般非地下水点的布设比例应控制在10%内, 最大不超过20%。豫北山前冲洪积扇含水层分布区, 分布有3种不同深度的水井, 分别为浅井(0~40 m)、中深井(60~80 m)和深井(> 100 m)。在不同地形地貌区, 3种深度水井分布和地下水利用也不同。扇顶区, 地下水位埋深大, 多为饮水和灌溉并用的中深井, 极少有浅井, 布点一般不考虑水质垂向变化和地下水功能; 扇中区和扇缘区有浅井、中深井和深井, 一般浅井用于生活用水, 中深井用于灌溉或饮水, 深井用于饮水, 布点不仅考虑调查区块内调查点数量, 还要兼顾水质垂向变化和地下水功能。不同深度水井布点比例随冲洪积扇体及部位不同而变化, 一般浅井、中深井、深井的布设比例为2: 1: 2或3: 1: 1。根据不同区域具体情况, 调查点布设比例可灵活调整: 在潜在污染源较少、地表水网不发育的区域, 非地下水点与地下水点的布设比例可降低; 在潜在污染源较多且浅井多为饮水井的地区, 浅井与深井的布设比例可增加; 在深井密度高且用作饮水、浅井密度高但潜在污染源类型单一的地区, 可提高深井的布设比例。

3.4.2 潜在污染源分布区布点

调查点布设要考虑潜在污染源类型、地下水流向和污染物可能的迁移方向(图7)。

图7

Fig.7

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	图7 不同类型潜在污染源分布区调查点布设Fig.7 Distribution of survey points for different types of potential pollution sources

3.4.3 地下水降落漏斗区布点

在地下水降落漏斗区(如水源地开采区和矿山疏干区等)布点, 主要考虑地下水流向、污染源类型、水化学类型分布及其变化(图8)。

图8

Fig.8

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	图8 地下水漏斗区调查点布设Fig.8 Distribution of survey points of groundwater funnel area

3.4.4 现场检测分析

按照《DZ/T 0288— 2015区域地下水污染调查评价规范》^[10]要求, 观察调查点及其周边环境状况, 填写调查表。重视水温、溶解氧、电导率、pH值、氧化还原电位和浊度的检测分析。出野外前, 必须完成对便携式多参数水质仪器的校准, 及时维护和保养仪器。

4.1.1 分区

豫北山前冲洪积扇分为2种类型。

(1)沉积厚度较大(> 100 m)、沉积结构较完整的冲洪积扇, 如沁河、丹河冲洪积扇。按非黏性土层与黏性土层累计厚度比例以及沉积物的渗透性, 可分为单一区、互层区和多层区。单一区主要由卵砾石及粗— 中砂夹粉土为主的黏土透镜体构成, 卵砾石砂层累计厚度远大于黏土层; 互层区主要由中— 细砂与黏土层(粉质黏土、粉土)交互构成, 砂层累计厚度与黏土层累计厚度近于相等; 多层区主要由粉质黏土、黏土、淤泥质黏土夹粉砂、细砂层构成, 黏土层累计厚度远大于砂层累计厚度。

(2)沉积厚度小(< 50 m)、沉积结构不完整的冲洪积扇, 如焦作翁河、涧河山前区, 淇河上游及东部冲洪积扇区。该类冲洪积扇与周边不同时代的含水层构成复杂的对接关系, 形成不同的地质环境区域。

4.1.2 分层

对于完整冲洪积扇, 一般在单一区不分层, 在互层区和多层区分2~3层。不完整冲洪积扇一般分2层, 如浅层第四系含水层和中深层第三系含水层, 或浅层第四系含水层和中深层奥陶系含水层。完整冲洪积扇和不完整冲洪积扇水质分区分层概念模型分别见图9和图10。

图9

Fig.9

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	图9 完整冲洪积扇水质分区分层Fig.9 Water quality zoning and stratifying of complete alluvial-proluvial fan

图10

Fig.10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图10 不完整冲洪积扇水质分区分层Fig.10 Water quality zoning and stratifying of incomplete alluvial-proluvial fan

按分区、分层建立调查点位置、井深、现场水质参数信息数据库; 采用半方差函数和变差系数统计方法, 计算各区层水质参数空间变异综合指数; 将各区层面积与水质空间变异综合指数乘积, 作为各区层取样点数量的权重数, 按权重数的比例大小, 得出各区层取样点分配系数; 用取样点密度(如30个点/100 km²)及地下水点比例(如10%), 计算调查区地下水取样点数量, 根据分配系数, 得出各区层取样点数量。

观察并分析各区层地下水pH、溶氧(DO)、电导率(EC)和氧化还原电位(ORP)累计频率变化曲线, 将斜率突变的高值点或低值点作为水质参数的异常临界值, ≥ 或≤ 异常临界值视为水质异常。水质参数累计频率曲线斜率变化有4种情况: 一是全段以相同斜率延伸(图11(a)), 说明不存在水质异常; 二是高值段斜率无突变, 但低值段斜率有突变(图11(b), 红色虚线指示突变点位置), 说明不存在高值水质异常, 但存在低值水质异常; 三是高值段斜率有突变, 但低值段斜率无突变(图11(c)), 说明存在高值水质异常, 但不存在低值水质异常; 四是高值段和低值段均有突变, 说明存在高、低值水质异常(图11(d))。统一采用克里金插值法绘制各区层水质参数等值线图, 以各区层水质参数的异常临界值为界, 圈出水质变异区范围。

图11

Fig.11

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	图11 水质参数累计频率曲线Fig.11 Cumulative frequency curves of water quality parameters

对照变异区, 核实异常点位置、水化学参数及周边环境(如有无潜在污染源), 辨识与实际情况不符的假异常。将相同区层、不同水质参数的变异区叠加, 形成不同水质异常特征的多个区域。水质变异区既可由1个参数构成, 也可由2个或多个参数构成。

采用判断法布控各区层水质变异区取样点, 每个变异区最少布设1个取样点, 最多不超过3个取样点, 取样点应与调查的异常点一致。对于面积小或只有1个异常参数的变异区, 布设1个取样点; 对于面积大或存在多个异常参数的变异区, 布设2~3个取样点。采用均布法布控各区层水质正常演化区的取样点, 布设时统筹考虑以下因素。

(1)变异区的背景值点。在变异区地下水上游或旁侧布设背景点。

(2)水质断面控制点。沿地下水流向和垂直地下水流向形成多条水质断面。

(3)不同深度点。由于水质变异区多出现在浅部含水层, 将减少水质正常区浅层水井的取样点数量。为克服该缺陷, 应统筹分配同一分区内深层和浅层取样点的数量, 尽量在一个分区内形成深、浅结合的垂向水质剖面。豫北某冲洪积扇含水层水质分区分层取样点布设如图12所示。

图12

Fig.12

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图12 豫北某冲洪积扇含水层分区分层取样点布设Fig.12 Distribution of sampling points for aquifer zoning and stratifying in alluvial-proluvial fan in Northern Henan Province

在调查工作量预部署阶段, 需要收集足够的基础地质资料, 支撑地形地貌、潜在污染源、地下水流场、地下水水化学类型演变图的编制。工作区前期地质工作精度不能低于1: 20万, 前期水文地质、环境地质工作精度总体应达到1: 5万。我国已完成全域1: 20万水文地质调查, 一些平原区、盆地区和城市地区已完成1: 5万地质、水文地质和环境地质调查工作, 积累了地下水水化学动态资料, 并完成了全国工业污染源普查工作, 公布了国控和省控污染企业信息。因此, 我国大多数地区具备了编图所需的基础资料。然而, 这些资料分散在地质、水利及环保等部门, 很难在同一部门或单位收集齐全。项目人员应积极与地方政府沟通, 形成多部门协作机制, 以地质部门为资料支撑点, 辐射收集其他部门相关资料。

我国第一轮地下水污染调查, 在重点区(如城市区、污染源集中分布区)采用1: 5万调查精度, 在一般区(如山丘区)采用1: 25万调查精度。该调查方法固定应用于较大区域, 区域一旦确定即无法改变精度。本文提出的变密度调查法, 可在固定区域(如冲洪积扇区的扇中区)的不同区块内(如潜在污染源集中分布区与稀疏区), 根据实际情况灵活调整一般区和复杂区, 并按不同的精度实施调查。此外, 预先编制变密度工作量图, 减少了盲目使用工作量, 也避免了平均使用工作量, 保证足够的工作量投入到水质问题较多和环境复杂的区域。

大比例尺场地地下水污染羽精细调查研究证明, 地下水水化学环境随季节和年度而发生变化, 地下水污染羽边界也不固定。由于区域地下水水质调查精度远不及场地高, 圈出的水质变异区是一个概略边界。尽管本文要求1: 5万水质取样点密度是30个点/100 km², 但仅根据取样点水质信息圈定水质变异区也较困难。为了提高水质变异区的圈定精度, 充分利用野外调查点信息, 水点现场水质参数测试工作非常必要。水文地球化学理论与实践表明^{[11, 12]}, pH值、溶解氧、电导率和氧化还原电位是指示地下水水化学体系状态及其变化的指标。基于此, 本文提出了利用现场水质参数辅助识别和圈定水质变异区的方法。该方法也存在一定问题, 比如, 在识别分区分层现场水质参数异常临界值时, 采用趋势变化观察法具有一定的主观性, 临界值具有不确定性, 这一问题可采用其他办法得以解决^{[13, 14, 15, 16]}。再如, 由现场水质参数圈出的水质变异区与实验室某化学组分异常区(如高砷、高氟)的对应关系问题, 在现场水质参数变异区内筛选出的取样点, 其化学组分(特别是无机组分)与现场水质参数具有一定联系, 需运用统计分析和化学分析等手段综合分析, 这是下一步的研究方向。